單例模式的獨特之處，模式獨特之處

單例模式的獨特之處，模式獨特之處

單例模式三種寫法：

第一種最簡單，但沒有考慮線程安全，在多線程時可能會出問題

public class Singleton
{
    private static Singleton _instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton CreateInstance()
    {
        if(_instance == null)
        {
            _instance = new Singleton();
        }
        return _instance;
    }
}

第二種考慮了線程安全，是正規寫法，經典的一叉

 

public class Singleton
{
    private volatile static Singleton _instance = null;
    private static readonly object lockHelper = new object();
    private Singleton(){}
    public static Singleton CreateInstance()
    {
        if(_instance == null)
        {
            lock(lockHelper)
            {
                if(_instance == null)
                     _instance = new Singleton();
            }
        }
        return _instance;
    }
}

第三種可能是C#這樣的高級語言特有

public class Singleton
{
    private Singleton(){}
    public static readonly Singleton instance = new Singleton();
} 

 

一、 單例（Singleton）模式

單例模式的特點：

• 單例類只能有一個實例。
• 單例類必須自己創建自己的唯一實例。
• 單例類必須給所有其它對象提供這一實例。

單例模式應用：

• 每台計算機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，避免兩個打印作業同時輸出到打印機。
• 一個具有自動編號主鍵的表可以有多個用戶同時使用，但數據庫中只能有一個地方分配下一個主鍵編號。否則會出現主鍵重復。

二、 Singleton模式的結構：

Singleton模式包含的角色只有一個，就是Singleton。Singleton擁有一個私有構造函數，確保用戶無法通過new直接實例它。除此之外，該模式中包含一個靜態私有成員變量instance與靜態公有方法Instance()。Instance方法負責檢驗並實例化自己，然後存儲在靜態成員變量中，以確保只有一個實例被創建。（關於線程問題以及C#所特有的Singleton將在後面詳細論述）

三、 程序舉例：

該程序演示了Singleton的結構，本身不具有任何實際價值。

// Singleton pattern -- Structural example  
using System;

// "Singleton"
class Singleton
{
  // Fields
  private static Singleton instance;

  // Constructor
  protected Singleton() {}

  // Methods
  public static Singleton Instance()
  {
    // Uses "Lazy initialization"
    if( instance == null )
      instance = new Singleton();

    return instance;
  }
}

/// <summary>
/// Client test
/// </summary>
public class Client
{
  public static void Main()
  {
    // Constructor is protected -- cannot use new
    Singleton s1 = Singleton.Instance();
    Singleton s2 = Singleton.Instance();

    if( s1 == s2 )
      Console.WriteLine( "The same instance" );
  }
}

四、 在什麼情形下使用單例模式：

使用Singleton模式有一個必要條件：在一個系統要求一個類只有一個實例時才應當使用單例模式。反過來，如果一個類可以有幾個實例共存，就不要使用單例模式。

注意：

不要使用單例模式存取全局變量。這違背了單例模式的用意，最好放到對應類的靜態成員中。

不要將數據庫連接做成單例，因為一個系統可能會與數據庫有多個連接，並且在有連接池的情況下，應當盡可能及時釋放連接。Singleton模式由於使用靜態成員存儲類實例，所以可能會造成資源無法及時釋放，帶來問題。

五、 Singleton模式在實際系統中的實現

下面這段Singleton代碼演示了負載均衡對象。在負載均衡模型中，有多台服務器可提供服務，任務分配器隨機挑選一台服務器提供服務，以確保任務均衡（實際情況比這個復雜的多）。這裡，任務分配實例只能有一個，負責挑選服務器並分配任務。

// Singleton pattern -- Real World example  

using System;
using System.Collections;
using System.Threading;

// "Singleton"
class LoadBalancer
{
  // Fields
  private static LoadBalancer balancer;
  private ArrayList servers = new ArrayList();
  private Random random = new Random();

  // Constructors (protected)
  protected LoadBalancer()
  {
    // List of available servers
    servers.Add( "ServerI" );
    servers.Add( "ServerII" );
    servers.Add( "ServerIII" );
    servers.Add( "ServerIV" );
    servers.Add( "ServerV" );
  }

  // Methods
  public static LoadBalancer GetLoadBalancer()
  {
    // Support multithreaded applications through
    // "Double checked locking" pattern which avoids
    // locking every time the method is invoked
    if( balancer == null )
    {
      // Only one thread can obtain a mutex
      Mutex mutex = new Mutex();
      mutex.WaitOne();

      if( balancer == null )
        balancer = new LoadBalancer();

      mutex.Close();
    }
    return balancer;
  }

  // Properties
  public string Server
  {
    get
    {
      // Simple, but effective random load balancer
      int r = random.Next( servers.Count );
      return servers[ r ].ToString();
    }
  }
}

/// <summary>
/// SingletonApp test
/// </summary>
///
public class SingletonApp
{
  public static void Main( string[] args )
  {
    LoadBalancer b1 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
    LoadBalancer b2 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
    LoadBalancer b3 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();
    LoadBalancer b4 = LoadBalancer.GetLoadBalancer();

    // Same instance?
    if( (b1 == b2) && (b2 == b3) && (b3 == b4) )
      Console.WriteLine( "Same instance" );

    // Do the load balancing
    Console.WriteLine( b1.Server );
    Console.WriteLine( b2.Server );
    Console.WriteLine( b3.Server );
    Console.WriteLine( b4.Server );
  }
}

六、 C#中的Singleton模式

C#的獨特語言特性決定了C#擁有實現Singleton模式的獨特方法。這裡不再贅述原因，給出幾個結果：

方法一：

下面是利用.NET Framework平台優勢實現Singleton模式的代碼：

sealed class Singleton
{
   private Singleton();
   public static readonly Singleton Instance=new Singleton();
}

這使得代碼減少了許多，同時也解決了線程問題帶來的性能上損失。那麼它又是怎樣工作的呢？

注意到，Singleton類被聲明為sealed，以此保證它自己不會被繼承，其次沒有了Instance的方法，將原來_instance成員變量變成public readonly，並在聲明時被初始化。通過這些改變，我們確實得到了Singleton的模式，原因是在JIT的處理過程中，如果類中的static屬性被任何方法使用時，.NET Framework將對這個屬性進行初始化，於是在初始化Instance屬性的同時Singleton類實例得以創建和裝載。而私有的構造函數和readonly(只讀)保證了Singleton不會被再次實例化，這正是Singleton設計模式的意圖。

不過這也帶來了一些問題，比如無法繼承，實例在程序一運行就被初始化，無法實現延遲初始化等。

詳細情況可以參考微軟MSDN文章

方法二：

既然方法一存在問題，我們還有其它辦法。

public sealed class Singleton
{
  Singleton()
  {
  }

  public static Singleton GetInstance()
  {
    return Nested.instance;
  }
    
  class Nested
  {
    // Explicit static constructor to tell C# compiler
    // not to mark type as beforefieldinit
    static Nested()
    {
    }

    internal static readonly Singleton instance = new Singleton();
  }
}

這實現了延遲初始化，並具有很多優勢，當然也存在一些缺點。文章包含五種Singleton實現，就模式、線程、效率、延遲初始化等很多方面進行了詳細論述。